转运与调控

铁在十二指肠内吸收入血后，通过血浆转铁蛋白（transferrin，Tf）运输至组织。转铁蛋白与细胞膜上的转铁蛋白受体1（transferrin receptor1，TfR1）结合，并通过受体介导的内吞作用进入细胞内部。铁在细胞内被利用，多余的铁储存在铁蛋白（ferritin，Ft）中。在这个铁代谢模式中，细胞铁水平是被铁调节蛋白1（iron regulatory protein 1，IRP1）与IRP2在转录水平后进行调控。当细胞内铁缺乏时，IRP1与IRP2会分别与TfR1以及转铁蛋白mRNA的5′或者3′非翻译区结合，降低TfR1 mRNA的降解以及抑制转铁蛋白的表达。这样的调节结果就导致细胞通过TfR1摄取了更多的铁以及降低了细胞内部的铁存储，提升了细胞内部游离铁的含量。

细胞铁代谢是一个复杂的多因素的过程，其中最重要的是转铁蛋白受体与转铁蛋白的相互结合与释放。通过这种方式摄入铁是主动运送。一般哺乳动物细胞的浆膜上都有转铁蛋白受体（TfR）。它能结合Fe（Ⅲ），把Fe（Ⅲ）释放后变成结合Tf的不稳定复合物，接着把Tf放出，再去结合游离铁。通过调节细胞表面TfR数目可以调节铁的摄入。一般来说，TfR基因表达受细胞内铁浓度控制。细胞需铁多，则细胞表面TfR密度大。在细胞暴露于促进增殖的介质中时，TfR基因表达增高。

胞质铁蛋白（CFt）是细胞内调节铁平衡的重要因子。而近年来发现的线粒体铁蛋白（MtFt）是一种定位在线粒上的与铁代谢密切相关的蛋白，具有组织受限性表达的特点，它在结构和功能上与胞质铁蛋白相比有一定的相似性，但是由于其mRNA上没有铁调控元件，它的表达不直接受铁调节蛋白调控。

CFt是广泛存在于动物、植物和微生物体内的一种铁储存和生物矿化蛋白，从细菌、植物到动物，这一蛋白具有高度的保守性。在动物肝脏内95%的铁是以与CFt结合的形式储存的。

MtFt是广泛存在的一种新的铁蛋白。MtFt首先表达出的是一个前体蛋白，在信号肽的引导下进入线粒体，然后在蛋白酶的作用下切除前导序列，成为成熟的蛋白。序列比对表明，这个成熟的蛋白在结构上和CFt很相似。在功能上，MtFt和CFt的H-亚基有相似的性质。

近年来，随着分子生物学技术的发展，基因敲除和过表达技术已日益成熟，目前已广泛应用于基因功能的研究。在铁代谢研究领域，学者们陆续完成了一些铁代谢蛋白基因的敲除和过表达，并建立了相应的转基因动物模型，这为进一步从深层次上揭示铁代谢的生理机制打下良好的基础，同时也为铁代谢相关疾病的研究提供了广阔的空间。这里选择几种重要的铁代谢蛋白结合其转基因的动物模型做简要的叙述（表2-2）。

表2-2 几种铁代谢调节蛋白

2.1 上游刺激因子2（upstream stimulatory factor 2，USF2)

USF2是铁调素的上游刺激因子。人类的USF2基因位于19号染色体上，与铁调素基因紧密相连，两个基因只有1.24kb的间隔。2001年，Gael Nicolas等建立了USF2基因敲除小鼠模型，发现USF-/-小鼠的肝脏、胰腺、心脏存在严重的铁沉积与血浆转铁蛋白的饱和，其特征与遗传性血色素沉着病相似。2002年，Gael Nicolas等证实了这种铁超载与USF2无关，而是由于铁调素缺乏导致的。同时，他们还建立了铁调素过表达小鼠模型，该模型小鼠因无法有效地摄取和利用铁而发生严重的生长发育障碍和缺铁性贫血，大体形态上表现为小鼠体型较小、少毛、皮色苍白且多褶皱，血液检查则呈现出红细胞数量减少、大小不等等小细胞低色素性贫血的特点。

2.2 铁调素调节蛋白（hemojuvelin，HJV）

HJV是一种极为重要的调节铁调素表达的蛋白质。人类HJV基因位于染色体1q21q区，长约2.6kb，包含4个外显子，其转录后可形成5个mRNA异构体。这5个mRNA可编码3个不同的多肽，分别由426个、313个、200个氨基酸组成。HJV的突变可导致青少年血色素沉着病。2005年，Huang等和Niederkofler等相继建立了HJV基因敲除小鼠模型。他们都发现HJV-/-小鼠出现了严重的多脏器铁沉积，涉及脏器包括肝脏、胰腺、心脏、肺、脑、胸腺和睾丸，其中以肝脏、胰腺、心脏的铁沉积最为明显。同时显示，HJV-/-小鼠肝脏几乎不能测得铁调素mRNA的表达，而且即使增加饮食铁或直接注射铁调素仍然不能表达，这说明HJV是铁超负荷时铁调素充分表达所必需的。他们还证实，脂多糖（LPS）诱导产生的炎症因子可以使HJV-/-小鼠铁调素表达增加，进而得出结论：铁变化与炎症反应调节铁调素表达的通道是不同的，炎症调节途径不需要有HJV的参与。

2.3 转铁蛋白受体2（transferrin receptor 2，TfR2）

TfR2也是近10年发现的一种新的转铁蛋白受体，同样参与铁调素表达的调控。人类的TfR2基因位于7q22染色体上，具有两种剪切形式：TfR2-α和TfR2-β。TfR-α由红细胞白血病cDNA基因文库中克隆得到，它的mRNA全长约为2.9kb，由18个外显子组成。TfR2-α的可读框长约2.4kb，编码801个氨基酸的蛋白质；TfR2-β比TfR2-α稍短，其5′端序列与TfR2-α明显不同。TfR2-βmRNA缺少TfR2-α第1、2、3外显子区，并且其第1外显子的5′端增加了另外142个核苷酸，但不包括起始序列，因此它的翻译可能起始于TfR2-α可读框的第542位氨基酸。2007年，Wallace等建立了肝细胞特异性TfR2基因敲除小鼠模型，发现该模型小鼠铁沉积的程度要高于整体TfR2基因敲除的小鼠，同时也发现了转铁蛋白饱和度增加和铁调素表达水平的降低，这一结果说明肝脏是TfR2的表达和活性发挥的主要部位。

2.4 铁调素（hepcidin）

铁调素作为一种负性铁调节激素，在铁代谢的调节中具有核心地位。铁调素的发现是近年铁代谢相关蛋白研究中最为突出的贡献。人类的铁调素基因位于19号染色体上，小鼠的铁调素基因位于7号染色体上，都含有3个外显子和2个内含子，转录后的mRNA长约0.4kb，其中第3个外显子编码了铁调素的氨基酸序列。人类的铁调素基因只有一个拷贝，小鼠的铁调素基因有两个，即hepcidin1和hepcidin2，但只有hepcidin1在铁代谢调节中发挥重要作用。铁调素基因在肝脏特异表达，在心脏、脊髓、肺表达很少，在前列腺、睾丸、卵巢、小肠、结肠、肾脏和膀胱几乎没有表达。

2.5 血色素沉着病蛋白（HFE protein）

HFE是遗传性血色素沉着病蛋白基因，其编码的蛋白质可与TfR组成复合体而参与铁调素表达的调控。人类HFE基因位于6号染色体，它的变异可导致Ⅰ型血色素沉着病。2002年，Ahmad等研究发现，HFE-/-小鼠在出生后第4周时即出现肝脏铁调素表达明显下降，而到第8周、第10周时这种变化则不明显。随后Maja等在2007年和2008年分别建立了肠上皮细胞特异性HFE敲除小鼠模型和肝细胞特异性HFE敲除小鼠模型。研究发现，敲除肠上皮细胞的HFE基因并不影响整体的铁代谢平衡，而敲除肝细胞的HFE基因出现铁的累积，进而分析指出，与肝细胞的HFE基因不同，肠上皮细胞的HFE基因对生理状态下铁稳态的维持并没有重要的作用。

2.6 铜蓝蛋白（ceruloplasmin，CP）

CP在机体的重要作用不仅在于参与机体铜的转运，更重要的是参与铁代谢的调节。在生理条件下，CP可以催化Fe2+氧化为Fe3+，帮助铁与转铁蛋白的结合。近年来，学者们通过CP基因敲除来研究CP在铁代谢中的作用。2002年，Yamamoto等主要对CP-/-小鼠肝脏和十二指肠的铁代谢基因表达情况进行了测定，FP1、DMT1在十二指肠表达均未增多，推测无CP血症的肝铁沉积机制不同于血色素沉着病，而且DMT1、TfR在肝脏的表达未增多，说明肝细胞铁的摄取未增加，CP基因敲除可能使释放铁受到影响，从而造成铁沉积。

（柏林、孙奇）